稳压室环腔结构对压气机进口流场均匀性影响

孙传恒，潘宝财，刘明硕，肖　翠



稳压室环腔结构对压气机进口流场均匀性影响

孙传恒1，潘宝财2，刘明硕3，肖翠4

（1.哈尔滨轴承集团公司信息化办公室，哈尔滨150036；2.北京汽车研究总院有限公司，北京101300；3.中国石油集团东北炼化工程公司吉林机械制造分公司，吉林吉林132021；4中国石油集团吉林石化公司研究院，吉林吉林132021）

根据前输出轴燃气轮机稳压室的设计要求，建立了4个具有典型环腔结构的稳压室模型，应用块结构化网格及数值模拟的方法，从进气流场均匀性和进气阻力两个方面对不同模型进行计算分析，得到了最佳的进气稳压室的环腔结构形式。研究结果可为实际设计提供参考。

燃气轮机；均匀性；环腔结构；稳压室

本文根据前输出轴燃气轮机进气稳压室的设计要求，设计出四种不同的进气稳压室环腔结构。以数值模拟的方法，考察稳压室环腔结构的不同对压气机进口流场均匀性的影响，最终选出一种最佳的进气稳压室环腔结构。

1　数值模拟方法

1.1计算域模型

根据实际要求，设计出了四种进气稳压室方案进行数值模拟计算，并给出四种模型的几何模型。四种模型的稳压室环腔结构与竖井都呈90°布置不变化，只改变稳压室环腔结构的进气通流形式。

图1　不同模型结构示意图Fig.1 Structure diagram of different models

其中模型一进气稳压室环腔结构进气横截面为圆形，具体结构如图1所示。模型二到四的设计思想是仍然保持竖井与稳压室呈垂直角度不变，只改变环腔结构的形状。模型二为进气稳压室环腔结构横截面为渐缩圆形。模型三为进气稳压室环腔结构横截面为渐缩方形。模型四为进气稳压室环腔结构横截面为渐扩圆形。

1.2网格划分

为了加快计算速度，四个模型进气道流场计算域网格均采用结构化网格。选取模型一的进气道网格及其稳压室局部网格为代表本文采取的网格方案，如图2所示。

图2　网格划分示意图Fig.2 Mesh generation schematic diagram

1.3边界条件

进口：质量进口以便控制流量，工作环境压力101 325Pa，进气温度300K，法向气流方向；出口：压力出口，工作环境压力101 325Pa，出口压力设为默认；固壁：绝热，无滑移。

2　数值模拟结果及分析

按照前述条件对各个模型进行了全流场三维数值仿真，计算过程中四个模型均计算了25、27、29、30、31、33、35kg/s等七个工况点。图3为各模型在流量30kg/s工况下的流线分布。

图3　各模型的流场速度沿流线分布Fig.3　Four models'flow field distribution along streamline

从图中可以看到气流基本平行地流入竖井进气道。在进气稳压室的上半部，气流顺畅地流入压气机进口。在进气稳压室的下半部，气流先由底部向上翻转，然后再进入压气机进口。在进气道的出口截面，靠近环形喇叭口的部分内壁处有旋涡产生。

由图可知，进气道内气流速度差别很大。气流在竖井内与在稳压室上半部分速度较小，而在进入压气机段后速度变得很大。还可以看到，气流速度发生剧烈变化发生在压气机导流罩部分。根据连续方程为常数，由于压气机段截面积相对于进气稳压室截面积要小得多，而对应的密度变化不是很大，当面积突然减小时，伴随的必然是速度突然增大。其中具有圆截面的模型一的流场均匀度最好。

表1　30kg/s流量下各个模型总压损失Tab.1 Total pressure loss of each model under the flow in 30kg/s

表1给出了流量为30kg/s时各个模型进气道内总压损失和竖井进口到压气机进口总压损失值。

3　结论

本文在数值模拟的内容上，对网格生成方面做了优化处理。对结构比较复杂的进气道做了分块化处理，所有模型均采用了块结构化网格。设计的四个进气方案中，方案一是最佳的进气方案。也就是说，稳压室环腔结构采用横截面积为圆形的通流形式时，进气效果最好。最佳进气方案进气道内的总压损失最小，其压气机进口截面面平均不均匀度和最大局部不均匀度也都是最小的。

［1］刘光宇.船舶燃气轮机装置原理与设计［M］.哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院出版社，1992：1-7.

［2］ 王钟铭.舰船燃气轮机装置［M］.北京：国防工业出版社，1981：180-181.

［3］石宝龙，孙海鸥，刘顺隆，等.大涡模拟在船用燃气轮机进气流场中的应用［J］.汽轮机技术，2004，（46）：4.

［4］王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004：1-16，24-43，113-123，114-167.

Effect of plenum ring cavity structure on inlet flow field uniformity of compressor

SUNChuan-heng1，PANBao-cai2，LIUMing-shuo3，XIAOCui4

（1.Harbin Bearing Group Company Information Office，Harbin 150036，China；2.Beijing Automotive Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 101300，China；3.CNPC Northeast Refining&Chemical Engineering Corporation，Jilin Machinery Manufacturing Branch，Jilin 132021，China；4.CNPCJilin Institute of Petrochemical Company，Jilin 132021，China）

Based on the design requirements of gas turbine plenum of output shaft，four plenum models with typical ring cavity structure were built，structured grid and numerical simulation method were applied to calculate on different models from inlet flow field and intake resistance，and then obtained the best ring cavity form of inlet plenum.The results can provide a reference for the actual design.

Gas turbine；Uniformity；Ringcavitystructure；Plenum

TH452

A

1674-8646（2016）15-0008-02

2016-06-30

孙传恒（1981-），男，黑龙江伊春人，学士，从事机械自动化的计算机相关应用研究。